Bestimmung von Ozonabbauraten über der Arktis und Antarktis mittels Ozonsonden- und Satellitendaten

Autor: Streibel, Martin Albert Gerhard
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2005
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Popis: Diese Arbeit beschäftigt sich mit der chemischen Ozonzerstörung im arktischen und antarktischen stratosphärischen Polarwirbel. Diese wird durch Abbauprodukte von anthropogen emittierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen und Halonen, Chlor- und Bromradikale, verursacht. Studien in denen der gemessene und modellierte Ozonabbau verglichen wird zeigen, dass die Prozeße bekannt sind, der quantitative Verlauf allerdings nicht vollständig verstanden ist. Die Prozesse, die zur Ozonzerstörung führen sind in beiden Polarwirbeln ähnlich. Allerdings fällt als Konsequenz unterschiedlicher meteorologischer Bedingungen der chemische Ozonabbau im arktischen Polarwirbel weniger drastisch aus als über der Antarktis. Der arktische Polarwirbel ist im Mittel stärker dynamisch gestört als der antarktische und weist eine stärkere Jahr-zu-Jahr Variabilität auf. Das erschwert die Messung des chemischen Ozonabbaus. Zur Trennung des chemischen Ozonabbaus von der dynamischen Umverteilung des Ozons im arktischen Polarwirbel wurde die Matchmethode entwickelt. Bei dieser Methode werden Luftpakete innerhalb des Polarwirbels mehrfach beprobt, um den chemischen Anteil der Ozonänderung zu quantifizieren. Zur Identifizierung von doppelt beprobten Luftpaketen werden Trajektorien aus Windfeldern berechnet. Können zwei Messungen im Rahmen bestimmter Qualitätskriterien durch eine Trajektorie verbunden werden, kann die Ozondifferenz zwischen beiden Sondierungen berechnet und als chemischer Ozonabbau interpretiert werden. Eine solche Koinzidenz wird Match genannt. Der Matchmethode liegt ein statistischer Ansatz zugrunde, so dass eine Vielzahl solcher doppelt beprobter Luftmassen vorliegen muss, um gesicherte Aussagen über die Ozonzerstörung gewinnen zu können. So erhält man die Ozonzerstörung in einem bestimmten Zeitintervall, also Ozonabbauraten. Um die Anzahl an doppelt beprobten Luftpackten zu erhöhen wurde eine aktive Koordinierung der Ozonsondenaufstiege entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Matchkampagnen während des arktischen Winters 2002/2003 und zum ersten Mal während eines antarktischen Winter (2003) durchgeführt. Aus den gewonnenen Daten wurden Ozonabbauraten in beiden Polarwirbeln bestimmt. Diese Abbauraten dienen zum einen der Evaluierung von Modellen, ermöglichen aber auch den direkten Vergleich von Ozonabbauraten in beiden Polarwirbeln. Der Winter 2002/2003 war zu Beginn durch sehr tiefe Temperaturen in der mittleren und unteren Stratosphäre charakterisiert, so dass die Matchkampagne Ende November gestartet wurde. Ab Januar war der Polarwirbel zeitweise stark dynamisch gestört. Die Kampagne ging bis Mitte März. Für den Höhenbereich von 400 bis 550 K potentieller Temperatur (15-23 km) konnten Ozonabbauraten und der Verlust in der Gesamtsäule berechnet werden. Die Ozonabbauraten wurden in verschiedenen Tests auf ihre Stabilität überprüft. Der antarktische Polarwirbel war vom Beginn des Winters bis Mitte Oktober 2003 sehr kalt und stellte Ende September kurzzeitig den Rekord für die größte bisher aufgetretene Ozonloch-Fläche ein. Es konnten für den Kampagnenzeitraum, Anfang Juni bis Anfang Oktober, Ozonabbauraten im Höhenbereich von 400 bis 550 K potentieller Temperatur ermittelt werden. Der zeitliche Verlauf des Ozonabbaus war dabei auf fast allen Höhenniveaus identisch. Die Zunahme des Sonnenlichtes im Polarwirbel mit der Zeit führt zu einem starken Anwachsen der Ozonabbauraten. Ab Mitte September gingen die Ozonabbauraten auf Null zurück, da bis zu diesem Zeitpunkt das gesamte Ozon zwischen ca. 14 und 21 km zerstört wurde. Im letzten Teil der Arbeit wird ein neuer Algorithmus auf Basis der multivariaten Regression vorgestellt, mit dem Ozonabbauraten aus Ozonprofilen verschiedener Sensoren gleichzeitig berechnet werden können. Dabei können neben der Ozonabbaurate die systematischen Fehler zwischen den einzelnen Sensoren bestimmt werden. Dies wurde exemplarisch am antarktischen Winter 2003 für das 475 K potentielle Temperatur Niveau gezeigt. Neben den Ozonprofilen der Sonden wurden Daten von zwei Satellitenexperimenten verwendet. Die mit der multivariaten Matchtechnik berechneten Ozonabbauraten stimmen gut mit den Ozonabbauraten der Einzelsensor-Matchansätze überein.
The subject of this thesis is the destruction of ozone in the stratospheric polar vortex of the Arctic and Antarctic. It is caused by decomposition products of anthropogenic emitted Chlorofluorocarbons and Halons, radicals of chlorine and bromine. Studies which are dealing with the comparison of measured and modelled ozone loss show that the processes are known but that the quantitative development is not fully understood yet. The processes that lead to ozone destruction are similar in both polar vortices. But as a consequence of different meteorological conditions the chemical ozone loss in the arctic polar vortex is less dramatic than over the Antarctic. On average the Arctic polar vortex is stronger perturbed and exhibit a stronger annual variability. In order to distinguish between chemical ozone loss and the dynamical redistribution of ozone in the Arctic vortex the Match method was developed. Air parcels in the polar vortex are probed several times in order to quantify the chemical change in ozone. To identify those air parcels trajectories are calculated using wind fields. When it is possible to connect two measurements by a trajectory within certain quality criteria the difference in ozone can be calculated and is interpreted as chemical ozone loss. Such a coincidence is called a Match. The Match method is a statistical approach which needs many of those doubly probed air parcels in order to draw significant conclusions about the destruction of ozone. So the ozone destruction can be calculated for a certain period in time which gives ozone loss rates. In order to enhance the number of doubly probed air masses an active coordination was established. Within the scope of the thesis Match campaigns were performed during the Arctic winter 2002/2003 and for the first time during the Antarctic winter 2003. The achieved data was used in order to determine ozone loss rates in both polar vortices. The loss rates serve for the evaluation of numerical models but allow as well the direct comparison of ozone loss rates of both polar vortices. The beginning of the winter 2002/2003 is characterized by very low temperatures in the middle and lower stratosphere. Hence, the Match campaign started at the end of November. From January on the polar vortex was strongly dynamically disturbed at certain times. For the height region of 400 to 500 K potential temperature (15-23 km) ozone loss rates and the column loss were determined. The robustness of the ozone loss rates was checked with a variety of different tests. From beginning of the winter until October 2003 the Antarctic polar vortex was very cold and the expansion of the ozone hole area reached record values in late September. From the beginning of June until the beginning of October ozone loss has been calculated in a height region from 400 to 550 K potential temperature. The development of the ozone loss was almost identical on the different height levels. The increase in sunlight led to an increase in ozone loss rates. From mid September the ozone loss rates decreased rapidly and the ozone was completely destroyed between approx. 14 and 21 km. In the last part of the thesis a new algorithm is presented which is based on a multivariate regression in order to calculate ozone loss rates from ozone profiles made by different sensors. At the same time the systematic error between different sensors has to be considered. As an example the approach is shown for the Antarctic Winter 2003 on the 475 K potential temperature level. Beside the ozone profiles from the sondes, data from two satellites experiments have been used. The agreement between the ozone loss rates calculated by the multivariate regression method and those calculated by the single match approach is very good.
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